پروتکل MPLS چیست و چه کاربردی در شبکه دارد؟

 پروتکل MPLS یک روش مطمئن برای انتقال داده‌ها بین گره‌های شبکه است که به جای استفاده از آدرس‌های شبکه، از برچسب‌ها برای مشخص کردن مسیر داده‌ها استفاده می‌کند. MPLS که مخفف Multi-Protocol Label Switching است، سیستمی قدیمی اما کارآمد برای ارسال سریع و منظم داده‌هاست. در این مقاله توضیح می‌دهیم که پروتکل MPLS چگونه کار می‌کند، چه انواعی دارد و ساختار اصلی آن چیست.

MPLS چیست؟

پروتکل MPLS، یک سیستم مسیریابی شبکه‌ای نسبتا قدیمی است که داده‌ها را بین گره‌های شبکه با استفاده از برچسب‌ها منتقل می‌کند. این برچسب‌ها مسیرهای از پیش تعیین‌شده را نشان می‌دهند و به جای استفاده از آدرس‌های شبکه که به خود گره‌ها اشاره دارند، عمل می‌کنند.

از زمان پیدایش اینترنت در دهه ۱۹۶۰، اینترنت بسیار تغییر کرده و همچنان در حال تحول است. انتقال داده‌ها بخش مهمی از اینترنت است و میلیون‌ها کامپیوتر در سراسر جهان را به هم متصل می‌کند.

در گذشته، پروتکل‌های استاندارد اینترنت IP و TCP مسئول هدایت بسته‌های داده بودند. هر روتر باید به‌صورت جداگانه تصمیم می‌گرفت که هر بخش کوچک داده به کجا برود. سیستم MPLS برای حل این مشکل و سرعت بخشیدن به انتقال داده‌ها ایجاد شد. درک این فرآیندها نیازمند آشنایی با مفهوم پروتکل شبکه است.

درک مفهوم Multi-Protocol Label Switching

Multi-Protocol Label Switching یا پروتکل MPLS یک روش برای هدایت و مسیریابی ترافیک در شبکه است که به جای استفاده از آدرس‌ها، از برچسب‌ها برای مدیریت جریان داده‌ها بین روترها استفاده می‌کند. در حالت عادی، آدرس‌ها نقاط پایانی هر بسته داده را مشخص می‌کنند، اما برچسب‌ها به جای تمرکز روی مقصد، روی مسیرها و راه‌های از پیش تعیین‌شده تمرکز دارند.

MPLS ترافیک شامل بسته‌های داده را در مسیرهای شبکه هدایت می‌کند و همیشه از کوتاه‌ترین مسیر مشخص شده روی برچسب‌ها استفاده می‌کند.

این فناوری یکی از تکنیک‌های مسیریابی پروتکل اینترنت (IP) است که می‌تواند روی بسته‌های داده مختلف و چندین پروتکل شبکه کار کند، به همین دلیل به آن سیستم چندپروتکلی می‌گویند. MPLS از فناوری‌هایی مانند ATM، Frame Relay، DSL و دیگر فناوری‌ها پشتیبانی می‌کند.

پروتکل انتقال MPLS به‌طور ویژه کنترل هدایت بسته‌ها در شبکه‌های WAN را بر عهده دارد، برای مثال شرکتی که چند شعبه یا مرکز دور از مرکز اصلی دارد. این فناوری مشکل انتقال کند داده و زمان از دست رفته هنگام استفاده از اینترنت را حل می‌کند و در عین حال قابل گسترش و مستقل از پروتکل است.

در مقایسه با روش‌های سنتی، MPLS سرعت جریان داده‌ها در شبکه را افزایش می‌دهد، زیرا دیگر نیازی به جستجوی جداول پیچیده مسیریابی در هر گره نیست. قبلا هر گره در شبکه به‌عنوان روتر عمل می‌کرد و مسیر بسته‌های ورودی را با جستجو در جداول پیچیده تعیین می‌کرد.

MPLS برای اولین بار در سال ۲۰۰۱ توسط Internet Engineering Task Force (IETF) منتشر شد. این سازمان هم معماری فناوری و هم روش کدگذاری برچسب‌ها را معرفی کرد. MPLS مشابه سوئیچ ATM عمل می‌کند و به‌عنوان یک روش سریع‌تر نسبت به روش‌های سنتی شناخته شد، اما مشکلات ATM را ندارد. علاوه بر این، MPLS امکان کنترل خارج از مسیر و مدیریت مهندسی ترافیک را هم فراهم می‌کند.

پروتکل MPLS چگونه کار می‌کند؟

پروتکل MPLS یک روش برای هدایت بسته‌های داده در شبکه است. MPLS به جای اینکه به دنبال آدرس‌ها بگردد، بسته‌ها را بر اساس برچسب‌ها هدایت می‌کند. این برچسب‌ها مسیر و پهنای باند از قبل مشخص شده را نشان می‌دهند، و باعث می‌شوند داده‌ها سریع‌تر منتقل شوند.

MPLS کمی شبیه مسیریابی IP عمل می‌کند. در روترهای معمولی، بسته‌ها فقط آدرس مقصد دارند و روتر باید خودش تصمیم بگیرد بسته از چه مسیری برود. اما در MPLS، برچسب روی بسته مسیر مشخص شده را نشان می‌دهد. این کار باعث می‌شود که زمان تأخیر ناشی از تصمیم‌گیری روترها حذف شود.

وقتی بسته وارد شبکه MPLS می‌شود، یک Class of Service یا CoS به آن داده می‌شود که به آن رده معادل هدایت (FEC) هم گفته می‌شود. این رده نوع اطلاعات داخل بسته را مشخص می‌کند، مثلا آیا داده‌ها زمان واقعی هستند مثل تماس صوتی اینترنتی (VoIP) یا ایمیل. با این برچسب، روترها می‌توانند سریع‌ترین مسیر را برای اطلاعات حساس مانند تماس‌های صوتی یا ویدئو رزرو کنند.

گره‌ای که بسته وارد شبکه می‌شود، گره ورود (ingress node یا Label Edge Router) نام دارد. در اینجا رده سرویس مشخص می‌شود و اولویت بسته تعیین می‌شود. در MPLS مسیرهای مشخص و یک‌طرفه‌ای وجود دارند که روترها را به هم متصل می‌کنند؛ این مسیرها Label Switched Path (LSP) نام دارند. شبکه تنها پس از ایجاد این مسیر و قرار گرفتن بسته در آن، می‌تواند داده‌ها را منتقل کند.

سایر روترها در شبکه، گره‌های عبوری (transit nodes یا Label Switch Router) هستند که جریان داده را ادامه می‌دهند. اطلاعات روی برچسب بسته، مسیر درست را به این گره‌ها نشان می‌دهد و توقف‌ها کم می‌شود. آخرین روتر که بسته را به مقصد می‌رساند، گره خروج (egress node) نام دارد و برچسب را حذف می‌کند تا آدرس بسته خوانده شود و داده‌ها تحویل مقصد شوند.

MPLS ترکیبی از ویژگی‌های لایه ۲ (پیوند داده) و لایه ۳ (IP) شبکه است، به همین دلیل به آن لایه ۲.۵ گفته می‌شود. این فناوری از اجزای زیر برای کار استفاده می‌کند:

• چرخه زندگی (Time to Live – TTL): برچسبی ۸ بیتی که هر بار بسته یک پرش (hop) انجام می‌دهد، مقدار آن یک واحد کم می‌شود تا عمر بسته محدود شود و از ایجاد حلقه‌های بی‌پایان جلوگیری کند.
• برچسب (Label): فیلدی ۲۰ بیتی که اطلاعات لازم برای هدایت بسته را در خود جای داده است.
• فیلد کلاس ترافیک (Traffic Class – TC): این فیلد ۳ بیتی برای مشخص کردن کیفیت سرویس (QoS) و هشدار تراکم شبکه استفاده می‌شود. لازم به ذکر است که این فیلد با نام Experimental (EXP) نیز شناخته می‌شود. هر دو نام (TC و EXP) به یک فیلد اشاره دارند که برای تضمین کیفیت سرویس (QoS) به کار می‌رود.
• پایین‌ترین برچسب (Bottom of Stack): برچسب‌ها می‌توانند روی هم قرار بگیرند. این بیت مشخص می‌کند که آیا برچسب فعلی، آخرین برچسب در پشته است یا خیر. برچسب بالایی مسئول هدایت بسته است و پس از آن، برچسب‌های زیرین تا پایان انتقال استفاده می‌شوند.

انواع MPLS

فناوری MPLS می‌تواند در سه نوع ارائه شود که عبارتند از:

۱. لایه ۲ نقطه به نقطه (Layer 2 Point-to-Point)

لایه ۲ نقطه به نقطه نوعی از MPLS است که برای شرکت‌هایی مناسب است که به اتصالات با پهنای باند بالا نیاز دارند و می‌خواهند چند مکان را به هم متصل کنند و در عین حال هزینه‌ها را بهینه نگه دارند. مثال‌های عملی استفاده از این نوع شامل چندین عملیات شبکه است که زیرساخت اصلی آن‌ها با استفاده از Ethernet و لایه ۲ ساخته شده است.

لایه ۲ نقطه به نقطه جایگزین بسیار خوبی برای خطوط اجاره‌ای با پهنای باند بالا محسوب می‌شود. این روش محدود به پروتکل اینترنت نیست و می‌تواند داده‌ها را که در شبکه LAN قرار دارند مستقیما به شبکه گسترده (WAN) ارسال کند، بدون اینکه نیاز باشد روترها بسته‌ها را با لایه ۳ مدل OSI سازگار کنند.

مزایا

نیاز به مدیریت جداول مسیریابی پیچیده حذف شده است.

هزینه‌ها بهینه است، زیرا اتصالات WAN می‌توانند مستقیما با سوئیچ‌های لایه ۲ مرتبط شوند و نیاز به روترهای گران‌قیمت کاهش می‌یابد.

معایب

دریافت مدارهای کمتر از ۱۰ مگابیت بر ثانیه دشوار است، زیرا ارائه‌دهندگان تنها مدارهای پهنای باند بالا را می‌فروشند.

از اتصالات Point-to-Multipoint پشتیبانی نمی‌کند.

۲. لایه ۲ خدمات شبکه خصوصی مجازی LAN (Layer 2 Virtual Private LAN Services – VPLS)

لایه ۲ VPLS که به آن Layer 2 VPLS نیز گفته می‌شود، به دلیل توانایی ارائه خدمات Ethernet، محبوبیت بیشتری پیدا کرده است. این نوع، MPLS را با Ethernet ترکیب می‌کند و مزایای آن را به کاربران نهایی و شرکت‌های ارائه‌دهنده شبکه گسترش می‌دهد.

طی بیش از ۲۰ سال، شبکه‌های LAN عمدتاً از سوئیچینگ Ethernet برای اتصال استفاده کرده‌اند، در حالی که شبکه‌های ارائه‌دهنده خدمات به مسیریابی پروتکل اینترنت متکی هستند. پروتکل اینترنت نه تنها دسترسی به اینترنت را فراهم می‌کند، بلکه امکان استفاده از شبکه خصوصی مجازی را نیز فراهم می‌سازد.

با این حال، Ethernet همچنان به دلیل نیاز کمتر به دانش فنی و مقرون به صرفه بودن، در پهنای باندهای مختلف به طور گسترده استفاده می‌شود و امروزه به زیرساخت اصلی هر دو شبکه LAN و WAN تبدیل شده است. VPLS یک پروتکل ایده‌آل است که می‌تواند به کاربران خود MPLS و Ethernet را ارائه دهد و تمام ترافیک لایه ۲ را مستقیماً به شبکه گسترده منتقل کند. علاوه بر این، VPLS ساده، آسان، مقرون به صرفه و بسیار مقیاس‌پذیر است.

مزایا

رابط شفاف ارائه می‌دهد و نیازی به سرمایه‌گذاری در سخت‌افزارهایی مانند روترها برای افزایش پهنای باند ندارد.

ترافیک با آدرس MAC برچسب‌گذاری می‌شود، نه آدرس IP، و مانند همه شبکه‌های سوئیچ شده، لایه ۲ VPLS تأخیر کمتری نسبت به شبکه‌های روتر دارد.

پیکربندی و راه‌اندازی آن ساده است و حتی سایت‌های تازه اضافه شده نیز می‌توانند به راحتی تنظیم شوند.

معایب

لایه ۲ VPLS هنوز تنها در برخی مناطق جهان استفاده می‌شود و به سطح جهانی نرسیده است، بنابراین قابلیت استفاده از برخی ویژگی‌ها محدود می‌شود.

نبود روتر به عنوان بخشی از سخت‌افزار باعث می‌شود لایه ۲ VPLS در برابر آسیب‌های ناشی از طوفان آسیب‌پذیرتر باشد.

نظارت بر شبکه دشوار است، زیرا دید کافی از سوی ارائه‌دهندگان وجود ندارد.

۳. لایه ۳ IP/VPN

لایه ۳ IP/VPN نوعی شبکه MPLS است که برای شرکت‌های بزرگ با چندین شعبه در مناطق گسترده بسیار مناسب است. این شامل شرکت‌هایی است که دفاتر آن‌ها در سراسر جهان پراکنده است یا صنایع و کارخانه‌هایی که در بیش از یک کشور فعالیت دارند.

لایه ۳ IP/VPN خدمتی است که به‌طور طبیعی ادامه مدل‌های ATM و Frame Relay قدیمی به شمار می‌رود. در این نوع، بسته‌های داده بر اساس برچسب‌هایی که هنگام ورود بسته‌ها به گره‌های ورودی (ingress nodes) اضافه می‌شوند منتقل می‌شوند. بنابراین، برای شرکت‌هایی که در حال ادغام هستند، بسیار مناسب است زیرا امکان مقیاس‌پذیری آسان و راه‌اندازی سریع را فراهم می‌کند.

این نوع MPLS برای شرکت‌هایی که از ATM به IP مهاجرت می‌کنند، یا از Frame Relay غیرقابل انعطاف به IP می‌روند، و همچنین برای شرکت‌هایی که آماده ادغام صدا و داده هستند، مناسب است. لایه ۳ IP/VPN این امکان را فراهم می‌کند که تمام سایت‌های شبکه رده‌بندی سرویس یکپارچه‌ای بر اساس نوع ترافیک (مثلاً VoIP) داشته باشند.

مزایا

لایه ۳ IP/VPN بسیار مقیاس‌پذیر است و برای راه‌اندازی سریع شبکه کمک می‌کند.

از کیفیت بعنوان سرویس (QoS) برای تمایز انواع ترافیک پشتیبانی می‌کند.

برخلاف ATM، نیاز به مدارهای مجازی دائم ندارد، ولی همان خدمات را ارائه می‌دهد.

معایب

تغییر تنظیمات شبکه مانند QoS زمان‌بر است و نیاز به ارسال درخواست دارد.

لایه ۳ IP/VPN برای کسب‌وکارهای کوچک مناسب نیست.

فقط خدمات IP ارائه می‌دهد و قبل از استفاده در شبکه باید داده‌ها از لایه ۲ به لایه ۳ تبدیل شوند.

جدول مقایسه‌ای ساده برای انواع MPLS

در ادامه یک جدول مقایسه‌ای ساده و واضح برای سه نوع MPLS آماده کرده‌ایم تا تفاوت‌ها و ویژگی‌های هر نوع راحت‌تر قابل فهم باشد:

نوع MPLS	مناسب برای	ویژگی‌ها	مزایا	معایب
لایه ۲ نقطه به نقطه (Layer 2 Point-to-Point)	شرکت‌هایی با چند مکان که به پهنای باند بالا نیاز دارند	اتصال مستقیم مکان‌ها با هزینه کمتر، بدون نیاز به تغییر بسته‌ها برای سازگاری با لایه ۳	حذف نیاز به جداول مسیریابی پیچیده، مقرون به صرفه	دشوار برای مدارهای <10Mbps، پشتیبانی نکردن از اتصال نقطه به چند نقطه
لایه ۲ خدمات شبکه خصوصی مجازی (Layer 2 VPLS)	شبکه‌های LAN و WAN که نیاز به انتقال آسان و کم‌هزینه دارند	ترکیب MPLS و Ethernet، انتقال تمام ترافیک لایه ۲ به WAN، ساده و مقیاس‌پذیر	رابط شفاف بدون نیاز به سخت‌افزار اضافی، تأخیر کمتر، پیکربندی آسان	هنوز محدود به برخی مناطق، نبود روتر باعث آسیب‌پذیری بیشتر، نظارت سخت
لایه ۳ IP/VPN	شرکت‌های بزرگ با چندین شعبه در مناطق وسیع	انتقال بسته‌ها بر اساس برچسب‌ها، پشتیبانی از QoS و اولویت‌بندی ترافیک	مقیاس‌پذیر، مناسب راه‌اندازی سریع، ارائه خدمات مشابه ATM بدون مدار دائمی	تنظیمات زمان‌بر، مناسب کسب‌وکارهای کوچک نیست، فقط خدمات IP ارائه می‌دهد و نیاز به تبدیل لایه ۲ به ۳ دارد

معماری پروتکل MPLS

 معماری MPLS ترکیبی از دو لایه مدل OSI یعنی لایه دوم و سوم است. این یعنی در یک شبکه MPLS، بسته‌های داده باید مراحل خاصی را طی کنند تا بتوانند در دامنه MPLS منتقل شوند. این مراحل عبارتند از:

• ایجاد و توزیع برچسب‌ها بر اساس Forward Equivalence Class (FEC) و پخش آن‌ها بین روترها با استفاده از پروتکل LDP.
• ایجاد جداول در هر روتر با استفاده از Label Forwarding Information Base (LFIB) که می‌توان آن را مشابه جدول مسیریابی در شبکه IP دانست.
• ایجاد مسیر سوئیچ شده برچسب‌دار (Label Switched Path یا LSP).
• قرار دادن برچسب و جستجوی جدول برای بسته‌های داده ورودی در روتر ورود (Ingress Router).
• انتقال بسته‌ها در هر روتر با تعویض برچسب‌ها تا رسیدن به پایین‌ترین برچسب در روتر خروج (Egress Router).

نکته اصلی معماری MPLS این است که می‌توان برچسب‌هایی با اطلاعات اضافی به بسته‌های داده اضافه کرد، در حالی که پیش‌تر روترها باید از همان اطلاعات محدود استفاده می‌کردند.

علاوه بر این، برای درک معماری شبکه، باید پنج عنصر اصلی MPLS را بشناسید:

۱.Label Edge Router – LER 

این روترها در لبه شبکه MPLS قرار دارند. روتر ورودی (Ingress LER) بسته‌های ورودی بدون برچسب را دریافت، آن‌ها را در یک FEC دسته‌بندی کرده، برچسب اضافه می‌کند و به داخل شبکه MPLS می‌فرستد. روتر خروجی (Egress LER) بسته را دریافت، برچسب را حذف و آن را به مقصد نهایی هدایت می‌کند.

۲. Label Switch Router – LSR 

این روترها هسته مرکزی شبکه MPLS را تشکیل می‌دهند. وظیفه اصلی آن‌ها خواندن برچسب بسته ورودی و تعویض آن با برچسب خروجی بر اساس جدول LFIB (Label Forwarding Information Base) و ارسال آن به روتر بعدی است.

۳. Label Distribution Protocol – LDP

این پروتکل وظیفه ایجاد و توزیع برچسب‌ها بین روترهای LSR را بر عهده دارد. روترها از LDP برای اطلاع‌رسانی به همسایگان خود در مورد برچسب‌هایی که به هر FEC اختصاص داده‌اند، استفاده می‌کنند. این فرآیند باعث ساخت جداول LFIB در سراسر شبکه می‌شود.

۴. Label Switched Path – LSP

این، مسیر یک‌طرفه‌ای است که بسته‌های یک FEC خاص در شبکه MPLS طی می‌کنند؛ از روتر ورودی تا روتر خروجی. LSPها می‌توانند بر اساس کوتاه‌ترین مسیر IGP (مانند OSPF) ایجاد شوند یا از طریق مهندسی ترافیک (MPLS-TE) به‌صورت دستی و بهینه تعیین گردند.

۵. IGP-LDP IGP-LDP Synchronization

این یک مکانیزم پیشرفته برای جلوگیری از Traffic Black-holing است. اگر یک روتر از طریق پروتکل مسیریابی داخلی (IGP) در دسترس باشد اما هنوز جلسه LDP آن برای تبادل برچسب‌ها برقرار نشده باشد، بسته‌ها به سمت آن ارسال شده اما چون برچسبی وجود ندارد، از بین می‌روند. این قابلیت تضمین می‌کند که یک لینک تا زمانی که LDP روی آن فعال نشده، در محاسبات IGP استفاده نشود.

MPLS همچنین به دو بخش کنترل و هدایت تقسیم می‌شود:

• صفحه کنترل (Control Plane): مسئول ایجاد مسیر سوئیچ شده برچسب‌دار (LSP) است. LSP برای اشتراک‌گذاری اطلاعات مسیریابی بین روترها استفاده می‌شود و داده‌ها را یکپارچه کرده و LFIB را ایجاد می‌کند.
• صفحه هدایت (Forwarding Plane): هدایت بسته‌ها از طریق روترها بر اساس برچسب‌ها را انجام می‌دهد و از اطلاعات موجود در LFIB استفاده می‌کند.

کلام آخر

اگرچه پروتکل MPLS هنوز پایه‌ای مهم برای زیرساخت شبکه است، استفاده از آن در حال کاهش است. طبق مطالعه‌ای در سال ۲۰۲۱ توسط Telegeography، پیاده‌سازی MPLS بین سال‌های ۲۰۱۹ تا ۲۰۲۰ حدود ۲۴٪ کاهش یافته است. در همین زمان، استفاده از SD-WAN افزایش یافته که نشان‌دهنده تمایل به فناوری‌های نرم‌افزاری انعطاف‌پذیرتر است.

از سوی دیگر، MPLS زیرساختی گران اما بسیار قابل اعتماد دارد و عملکرد عالی، به‌خصوص برای انتقال داده‌های زمان واقعی، ارائه می‌دهد. بنابراین، برخی شرکت‌ها ممکن است بخواهند سرمایه‌گذاری خود روی MPLS را حفظ کرده و آن را همراه با فناوری‌های جدید استفاده کنند.